JP2005094854A - 水力発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 極く少ない水の流れであっても幾らかの電力を得ることができる水力発電機を提供すること。
【解決手段】 水の流れによって回転する水車３と、この水車３の回転力を電力に変換する発電部１０とを有する水力発電機であって、前記発電部１０が、発電部１０の回転軸９に連設され回転軸９を中心として少しずつ位相を変えた対称形状となるように配置された多数のコイル１５ａからなる回転子１５と、この回転子１５の回転に伴って各コイル１５ａを通過する磁束の密度が増減するような磁界を形成するためにコイル１５ａに近接した位置に固定的に設けてなる磁性体１２と、各コイル１５ａに流れる電流を整流する整流部１９とを設けてなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水力発電機に関するものであり、とりわけ少流量の水が短い時間だけ流れる水栓などによって供給される水の流れを用いて電力を得ることができる水力発電機に関する。

近年、地球環境の保全のためにエネルギー資源の有効利用が叫ばれている。一方では、利用者が水栓に触れることなく手を差し延べるだけで吐水するいわゆる自動水栓が広く用いられており、この自動水栓を駆動するための電力を得るために吐水する水の勢いで水車を回して発電機を回転させる小型の水力発電部を備えた自動水栓が使用されるに至っている。

すなわち、水の吐水に伴って生じる水の流れを用いて水力発電部を回動させて発電することで、吐水する水の勢いを電力に変換して有効に活用することが行われている。この自動水栓を用いることにより、使用者が水を止め忘れることを防止でき、これによって節水効果を得ることも可能となる。

特許文献１に示される水力発電機の構成は、水力発電機の水車と発電機の有極磁石で作られた回転子を水中に配置されている。固定子は、鉄心の磁気回路とコイルで構成されており、大気中に配置されている。したがって、水と空気の隔壁は回転子と固定子との磁界内に位置することになり、この隔壁は非磁性体金属によって形成されている。また、発電機は一般的に交流発電機が用いられており、全波整流回路か半波整流回路を用いて整流することにより、直流電源として用いていた。
特開２００３−４４９２２号公報

しかしながら、特許文献１に示すような構成では、水中の有極磁石によって作られた回転磁界が鉄心の磁気回路に流れるので、この鉄心によって鉄損が生じて、効率の低下が発生する。また、各コイルにはこのコイルが切った磁束に応じた起電力が生じるが、これが交流波形となるので、これを整流する必要があるので整流回路によって電圧降下が必然的に生じ、これが効率低下の原因となっていた。

図６は特許文献１に示されるような発電機の２つのコイルから得られる電圧の出力波形を示す図である。図６に示すように２つのコイルから得られる電圧波形は位相のずれた波形であるものの正弦波であるから、この２つのコイルから得られる電圧波形を全波整流してもかなりの脈動が発生する。このため、整流して得られる電圧の実効値が落ち、力率が悪くなることは避けられなかった。

また、全波整流回路によって１．４Ｖ程度の電圧降下が生じるのでコイルから得られる低い電圧がさらに低くなって効率がさらに低下するという問題もあった。これを避けるために、２つのコイルから得られる電圧波形を半端整流すると、整流回路による電圧降下を０．７Ｖ程度に抑えることができる反面、脈動が大きくなるので実効値がさらに落ち、力率もさらに悪くなるという問題があった。

さらに、特許文献１に示すような発電機では回転子と固定子との間の磁場に水圧に耐えられる程度の厚みを有する磁性金属が介在するので、固定子が回転しても十分の磁力を固定子に伝達することができず、発電効率を低下させることも避けられなかった。そこで、回転子の磁力を強くするなどして起電力を向上させることが考えられるが、この回転子の磁力を強くすればするほど固定子側の鉄心が磁石に引きつけられるので、発電機に形成したコイルの数に応じてコギングと呼ばれる回転ムラが生じる。このために、従来の発電機では始動時に大きなトルクをかけなければ発電機が回らないという問題が生じることがあった。

とりわけ、手を洗うときに用いられる程度の水の流れでは、水流が３Ｌ／ｍｉｎ程度であることがあり、この程度の流量では発電機のコギングによる影響で発電機が始動できないことが少なくなかった。また、たとえ発電機を回すことができる程度の水流があったとしても、吐水する時間が短いので、これによって得られる電力に上述の理由で効率の低下が生じていると、一回の吐水で得られる電力が自動水栓を一回駆動するために必要な電力を下回ることが問題となる。

そこで、水力発電機を有する自動水栓には、例えば水の流量を５Ｌ／ｍｉｎ以上に設定するという条件を設けているものもある。しかしながら、自動水栓によって節水効果を得ようとする場合には、吐水する水の流量を絞ることが好ましく、より少ない流量の水の流れを用いて効果的に安定した電力を供給できる水力発電機が望まれている。

本発明は、上述の事柄を考慮に入れてなされたものであって、その目的は極く少ない水の流れであっても幾らかの電力を得ることができる水力発電機を提供することにある。

上記目的を達成するため、第１発明の水力発電機は、水の流れによって回転する水車と、この水車の回転力を電力に変換する発電部とを有する水力発電機であって、前記発電部が、発電部の回転軸に連設され回転軸を中心として少しずつ位相を変えた対称形状となるように配置された多数のコイルからなる回転子と、この回転子の回転に伴って各コイルを通過する磁束の密度が増減するような磁界を形成するためにコイルに近接した位置に固定的に設けてなる磁性体と、各コイルに流れる電流を整流する整流部とを設けてなることを特徴としている。（請求項１）

水車と発電部との間に磁力によって水から隔離された発電部に回転力を伝達する回転力伝達機構を設けてもよい（請求項２）。

前記水車が水車の回転軸に連設された回転磁性体を有する一方、発電部が発電部の回転軸に連設された回転磁性体を有し、水車側の回転磁性体と発電部側の回転磁性体が互いに引き合うように対向させた状態で、両回転磁性体間に発電部を水から隔離するための非磁性体からなる隔壁を設けてもよい（請求項３）。

整流部が回転軸の軸芯近傍に取り付けた整流子と、この整流子に接触する整流ブラシとを有する接触式の整流機構であってもよい（請求項４）。

自動水栓によって制御される水の流れを用いて発電して、自動水栓を駆動するための電力を得てもよい（請求項５）。

請求項１に記載の本発明の水力発電機は、その発電部に設けた各コイルが鉄心などの磁性体に巻かれるものではないので、磁性体を有する磁気回路を形成したことによって生じる損失を無くすことができ、それだけ効率を良くすることができる。また、磁性体が固定的に設けた有極磁石に引きつけられることによって生じる回転ムラ（コギング）を無くすことができる。このため、発電部を始動するときに必要な回転トルクを極めて小さくすることができ、それだけ少ない水の流れを用いて発電を行なうことができる。

また、前記発電部に発電部の回転軸を中心として少しずつ位相を変えた対称形状となる多数のコイルを設けているので、この回転軸の回転に伴って各コイルに生じる起電力はそれぞれ少しずつ異なる位相で生じる。つまり、整流部によって整流された電圧はリプルなどの歪みが極めて少ない安定した直流電圧となり、得られる電力の実効値が高くなると共に、その力率が極めて１００％に近いので効率よく発電を行なうことができる。なお、複数のコイルの巻線が同じ回転位相にピッタリ重なるように配置してもよく、この複数のコイルの巻線を徐々に異なる位相となるように多数配置することも可能である。すなわち、コイルの数を増やせば増やすほど、同じ回転数で生じる起電力を上げることができる。

水車と発電部との間に磁力によって水から隔離された発電部に回転力を伝達する回転力伝達機構を設けた場合（請求項２）には、水車を水中に配置することにより、水車が水の流れによって効率良く回動する。また、この水車の回転力を磁力を用いて発電部の回転軸に伝達することにより、水車と発電部との間に水と大気との隔壁があっても、回転力を伝達することができる。さらに、水車と発電部の回転軸が完全に連結しているのではなく、磁力にいわゆるダンパーを形成するように連結しているので、とりわけ水の流れが少流量のときには、その始動トルクをさらに低くすることができる。そして、発電部は水から隔離された状態で大気中で回転力を受けて電力に変換するので、発電部で発生する磁束漏れを最小限に抑えて、回転力を効率よく電力に変換することができる。

前記水車が水車の回転軸に連設された回転磁性体を有する一方、発電部が発電部の回転軸に連設された回転磁性体を有し、水車側の回転磁性体と発電部側の回転磁性体が互いに引き合うように対向させた状態で、両回転磁性体間に発電部を水から隔離するための非磁性体からなる隔壁を設けた場合（請求項３）には、２つの回転磁性体を対向させたときに生じる吸引力や反発力を用いて、効率よく回転力を伝達できるので、水車から発電部への回転力の伝達をより確実に行なうことができる。つまり、水の流れを電力に変換する効率を向上できる。

整流部が回転軸の軸芯近傍に取り付けた整流子と、この整流子に接触する整流ブラシとを有する接触式の整流機構である場合（請求項４）には、コイルが回転することにより得られた起電力をコイルの回転に合わせて取り出すことができ、直流の電圧を得ることができる。つまり、整流のために半導体を用いたときに生じる電圧降下がないので、それだけ少ない水の流れで高く安定した電圧を得ることができる。また、直流電圧はそのまま電池などに容易に蓄電することが可能であるから、損失となりかねない電気回路を省略することが可能である。例えば本発明の水力発電機を定格３．６Ｖの二次電池に直接的に接続するだけでも、無負荷時に５Ｖの直流電圧を出力する程度の回転数で、二次電池に対して幾らかの充電を行なうことができる。

自動水栓によって制御される水の流れを用いて発電して、自動水栓を駆動するための電力を得る場合（請求項５）には、自動水栓が吐水する度に次の動作までに必要な電力を発電できるので、自動水栓は別途の電源を必要としない。

図１は、本発明の例えば自動水栓に用いられる水力発電機１の一実施例を示す図である。図１において、２は図外の自動水栓に連通する水道管、３はこの水道管２内に配置されて水道管２内を流れる水の流れによって回転するように構成された水車、４はこの水車３を回動自在に支持する第１回転軸、５はこの第１回転軸４の軸端に連設されることで水車３と連結する円盤状の回転磁性体（円盤状マグネット）、６はこれらの部材３〜５を水道管２に連通した状態で収容する収容室、７はこの収容室６内の水の水密状態を保つと共に円盤状マグネット５の磁力を水から隔離された外部に透過させる非磁性体金属からなる隔壁、８は円盤状マグネット５の回転によって生じる回転磁界を隔壁７の外側で受けることにより水車３からの回転力を受けて従動する回転磁性体（円盤状マグネット）、９は円盤状マグネット８を一端部に連設する第２回転軸、１０は第２回転軸９の他端側に設けた発電部である。

本例の水力発電機１によって得られた電力は例えば自動水栓の制御回路を駆動するための電源としてとして利用され、この自動水栓によって流される水の流れを用いて発電することにより、次回の吐水まで制御回路を駆動するために必要な電力を発電するものである。なお、本発明の水力発電機１は自動水栓と組み合わせて用いられることに限定されるものではなく、主動操作によって開閉される水栓と組み合わせて用いられてもよい。

前記水道管２はその端部に接続部２ａ，２ｂを形成しており、図外の自動水栓内の電磁弁などによって開閉制御される水道管の流路中に介在させるように取付け可能としている。

図２は図１に示した、本例の水車３回りの構成を詳述する図である。図１，２に示すように、２Ａは前記水車３の周囲に環状溝２ｃを形成し、この環状溝２ｃから水車３の羽に対して流れ込む例えば５つのノズル２ｄを形成すると共に、水車３を回動自在に保持する保持部２ｅを有して、前記収容室６を形成するための水車受、２Ｂはこの水車受２Ａを押さえ込むようにして固定し、水車３を収容室６内に収容した状態で第１回転軸４の一端部を一方の軸受け４ａ内に軸支させると共に、第１回転軸４の他端部を軸支するを形成する軸受け体である。

前記水車３の形状は、より少ない水の流れでより高速に回転できるように、その直径Ｄが例えば２ｃｍ以下の小径となるように形成されたものであり、かつ、前記ノズル２ｄから噴射される水を受ける例えば６枚の羽３ａを設けてなる。３ｂは水車３の下流側の外周に形成されたリング体であり、このリング体３ｂが前記保持部２ｅに当たることにより水車３が下流側に流されることがないように保持される。

本例に示すように、前記ノズル２ｄの数を羽３ａよりも一つ少なく形成しているのは、ノズル２ｄと羽３ａの数を一つ以上異ならせることにより、水車３がどの回転角に位置するときにも全ノズル２ｄから流れ込む水の流れによって、水車３が同じ回転力を受けるようにするためである。これによっても、水車３の回転はムラのない安定したものとなる。なお、ノズル２ｄや羽３ａは上述した数に限られるものではなく、ノズルよりも羽３ａの数の方が少なくなるようにしてもよい。

また、本例に示すノズル２ｄは環状溝２ｃに流入した水が所定の角度をもって羽３ａに当たるように水の流れをガイドするものである。したがって、各羽３ａは矢印ａに示すように、水流からの力を効率的に受けて、水車３が勢い良く流れるように構成している。

前記円盤状マグネット５はそれぞれ回転軸４の軸端に取り付けられたカプラ５ａによって保持された有極磁石であり、この磁石の一方の極Ｎが円盤の外周の一端側に形成され、他方の極Ｓが円盤の中心線を挟んだ他端側に形成されることが望ましい。同様に前記円盤状マグネット８も回転軸９の軸端に取り付けられたカプラ８ａによって保持された有極磁石であり、この磁石の一方の極Ｎが円盤の外周の一端側に形成され、他方の極Ｓが円盤の中心線を挟んだ他端側に形成されることが望ましい。

すなわち、両円盤状マグネット５が完全に連結されているものではないので、円盤状マグネット５，８の吸引力や反発力の許容範囲内において円盤状マグネット５，８の間には互いに異なる極が向き合う状態で吸引力が働いており、両部財５，８間は幾らかのダンパを形成しながら回転力を伝達できるように構成している。

前記発電部１０は前記回転軸９を回動自在に受ける軸受け１１と、この軸受け１１の外周に設けた略円柱状の有極磁石１２と、この有極磁石１２につながる磁気回路を構成する磁性体からなるほゞ有底円筒形状の外装１３と、回転軸９の他端部に固着された円盤状部分１４ａおよび軸部分１４ｂからなる回転体１４と、この円盤状部分１４ａの外周部とほゞ同程度の径を有する円筒形状の外形で、回転軸９を中心として少しずつ位相を変えた対称形状となるように配置してなる多数のコイル１５ａからなる回転子１５と、この回転子１５を構成するコイル１５ａに接続されて前記軸部分１４ｂの外周に形成された整流子１６と、前記外装１３に固定されて整流子１６に接触することによりコイル１５ａで発生した起電力を整流して取出すための整流ブラシ１７とを有している。また、１８は発電部１０を漏水などから保護する保護カバーである。

つまり、本例の発電部１０は整流子１６と整流ブラシ１７とからなる接触式の整流機構１９を設けることにより、出力端子１０ａ，１０ｂ間に直流電圧を出力するように構成されている。しかしながら、本発明の整流機構は接触式の整流機構１９に限定されるものではなく、半導体を用いた整流機構であってもよい。

前記回転体１４は慣性を持つことがないように合成樹脂などの軽量の材料で形成されることが好ましい。

前記回転子１５は同じ回転位相に例えば２回または３回巻いたコイル１５ａを少しずつ位相をずらしながら多数配置してなるものである。この同じ回転位相に巻いたコイル１５ａの数を増やせば増やすほど高い電圧を発電することが可能となる。また、前記各コイル１５ａを配置するときにずらす位相角の大きさをできるだけ小さくすることにより、ほゞ同じ回転位相に複数のコイル１５ａを巻いた状態とすることも可能である。

図３は前記整流子１６と各コイル１５ａの接続の一例をその位相角を縦方向の位置にして示す図である。図３に示すように、各整流子１６ａ，１６ｂ，…はそれぞれ前記回転子１５を構成する各コイル１５ａを例えば３回巻き毎に接続する端子であり、隣接する整流子１６間のコイル１５は僅かに位相が異なるように接続される。また、各コイル１５ａは前記円盤状部分１４ａの外周部に連設するように円筒状に形成しているので、円周方向（図３では縦方向）に連続するものである。

前記整流ブラシ１７は整流子１６ａ，１６ｂ，…のうち少なくとも離れた２つの整流子１６に接触するものであり、一方の整流ブラシ１７ａがプラスの電極、他方の整流ブラシ１７ｂがマイナスの電極となる。図３に示す例では一方の整流ブラシ１７ａが整流子１６ｂ，１６に接触し、他方の整流ブラシ１７ｂが整流子１６ｒ，１６ｓに接触している。つまり、整流子１６ｃ〜１６ｒの間に接続されたコイル１５ａによる起電力が、両整流ブラシ１７ａ，１７ｂ間にかかるように構成している。

上記構成の水力発電機１を自動水栓によって水が流れる配管の流路内に配置したとすると、自動水栓が使用者による水栓の使用動作を感知し、水道管２内に水が流れると、この水道管２内の水の流れによって水車３が回転する。ここで水車３はノズル２ｄによって各羽３ａに効率的な力を受けて回転するので、水流が少ないときであっても水車３には幾らかの回転力が加わる。次いで、この回転力は回転軸４を介して円盤状マグネット５に伝達する。このとき円盤状マグネット５と円盤状マグネット８の間は磁力による吸引力と反発力が働くので、これがダンパのような働きをして円盤状マグネット５に伝わった回転力が少し遅れた回転角で円盤状マグネット８に伝達される。

一方、隔壁７によって水から隔てられた側の円盤状マグネット８は円盤状マグネット５による回転磁界が作用とき、たとえそれが僅かな回転力であったとしても、これが回転軸９を介して回転体１４に伝達し、多数のコイル１５ａからなる回転子１５が軽く回転する。つまり、本発明の水力発電機１には鉄心のような磁性体がないので、回転体１４，１５の何れにも有極磁石１２の磁力による吸着の影響（コギング）がなく、微弱に回転力によっても極めて容易に回転する。

そして、回転子１５が幾らか回転すると、各コイル１５ａは有極磁石１２とこれに接触して磁気回路の一部を形成する外装１３との間のギャップに生じる強い磁力線を切るので、各コイル１５ａにはコイル内を通る磁力線の増減に伴って起電力が発生する。そして、発生した起電力は前記整流子１６間に生じ、これに整流ブラシ１７が接触することにより、出力端子１０ａ，１０ｂには直流電圧が出力される。

本例の水力発電機１では整流機構１９を接触式としているので、半導体を用いた整流機構を採用した場合に比べて整流動作に伴う電圧降下の影響がなく、発生した起電力を無駄なく用いることが可能である。

図４は前記水力発電機１を用いて発電を行ったときに出力端子１０ａ，１０ｂ間に生じる電圧波形の例を示す図である。図４に示すように、本発明の水力発電機１を用いることにより、出力電圧にはほとんどリプルが発生しておらず、極めて安定した直流電圧となっていることが分かる。これは前記各コイル１５ａが僅かに異なる回転位相角を有するように配置されていることによる。

また、図４に示す例は無負荷時の出力電圧を示しているが、本発明の水力発電機１を用いることにより、従来の水力発電機を用いた場合に比べて、はるかに高い出力電圧を得ることができることを示している。また、本例のように直流の出力電圧が出力されることにより、これを電気的に加工しやすくなる。つまり、ほゞ直接的に二次電池に充電することも可能であり回路構成が簡単になるので、それだけ製造コストを削減できるだけでなく、無駄な回路を省くことによって省エネルギーを達成できる。

さらに、本発明の水力発電機１を用いた場合には出力電圧が安定した直流電圧となるので、その力率は１００％に極めて近く、発電できたエネルギを無駄なく用いることができる。

図５は本発明の水力発電機１を用いて水流を変化させたときに生じる無負荷時の出力電圧および無負荷時の水車３の回転数を示す図である。図５に示すように本発明の水力発電機１を用いることにより、無負荷時は僅か３Ｌ／ｍｉｎ程度の流量であっても、水車３は２０００ｒｐｍ程度回転し、出力電圧は７．５Ｖ程度得ることができる。つまり、自動水栓の電源として３．６Ｖの二次電池を用いる場合にも、僅か３Ｌ／ｍｉｎ程度の流量であっても、発電部１０からの出力をそのまま用いて二次電池を幾らか充電することができ、これが次回の吐水までの動作に十分な電力となる。

また、従来の水力発電機１では限界とされていた５Ｌ／ｍｉｎ程度の流量の水を流した場合には、水車３がグラフをはみ出すほど高回転で回転し、出力電圧も１７．５Ｖ程度あるので、これを用いて十二分の電力を蓄えることができる。なお、これを二次電池に接続した場合は、電圧が上昇する代わりに充電電流を多く流すことができ、速やかに充電することができる。

したがって、本発明の水力発電機１を自動水栓に用いた場合には、節水のために水の流量を３Ｌ／ｍｉｎ程度に絞っていたとしても、この流量を用いて自動水栓を動作させ続けることが可能となるので、従来の水力発電機に比べてはるかに少ない流量で使用することが可能となる。つまり、自動水栓を用いて節水に協力することができる。

本発明の水力発電機の一実施例を示す全体構成説明図である。 前記水力発電機の要部を切断して示す図である。 前記水力発電機の詳細な部分を説明する図である。 前記水力発電機を用いて得られる直流電圧の測定結果を示す図である。 前記水力発電機の特性を示す図である。 従来の水力発電機を用いた場合の出力電圧の例を示す図である。

符号の説明

１ 水力発電機
３ 水車
４ 回転軸
５，８ 回転磁性体（回転力伝達機構）
９ 回転軸
１０ 発電部
１２ 磁性体（有極磁石）
１５ 回転子
１５ａ コイル
１６ 整流子
１７ 整流ブラシ
１９ 整流部（接触式）

Claims (5)

1. 水の流れによって回転する水車と、
   この水車の回転力を電力に変換する発電部とを有する水力発電機であって、
   前記発電部が、発電部の回転軸に連設され回転軸を中心として少しずつ位相を変えた対称形状となるように配置された多数のコイルからなる回転子と、
   この回転子の回転に伴って各コイルを通過する磁束の密度が増減するような磁界を形成するためにコイルに近接した位置に固定的に設けてなる磁性体と、
   各コイルに流れる電流を整流する整流部とを設けてなることを特徴とする水力発電機。
2. 水車と発電部との間に磁力によって水から隔離された発電部に回転力を伝達する回転力伝達機構を設けた請求項１に記載の水力発電機。
3. 前記水車が水車の回転軸に連設された回転磁性体を有する一方、発電部が発電部の回転軸に連設された回転磁性体を有し、水車側の回転磁性体と発電部側の回転磁性体が互いに引き合うように対向させた状態で、両回転磁性体間に発電部を水から隔離するための非磁性体からなる隔壁を設けてなる請求項２に記載の水力発電機。
4. 整流部が回転軸の軸芯近傍に取り付けた整流子と、この整流子に接触する整流ブラシとを有する接触式の整流機構である請求項１〜３の何れかに記載の水力発電機。
5. 自動水栓によって制御される水の流れを用いて発電して、自動水栓を駆動するための電力を得る請求項１〜４の何れかに記載の水力発電機。

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